CN105973222A - 一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，包括Y形分支波导调制器和光纤传感线圈，还包括相连接的2×2功能光开关和开关控制器，所述2×2功能光开关的输入端和Y形分支波导调制器的输出端连接，所述2×2功能光开关的输出端和光纤传感线圈连接，光信号从Y形分支波导调制器传入，通过开关控制器对2×2功能光开关的切换控制，在光纤传感线圈内多次环行实现萨格奈克相移倍增，具体为：2×2功能光开关以Nτ为周期进行直通状态和环路状态的切换，所述直通状态的持续时间为τ，所述环路状态的持续时间为(N‑1)τ,所述τ为光纤传感线圈的光传输时间。与现有技术相比，本发明具有增加相移倍数、减小线圈长度、减小误差和降低成本等优点。

Description

一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构

技术领域

本发明涉及一种干涉型光纤陀螺仪，尤其是涉及一种干涉型光纤陀螺的光纤传感环路结构。

背景技术

干涉型光纤陀螺是以萨格奈克(Sagnac)光纤传感线圈和集成光学器件为基础的惯性导航器件，用于自主测量载体相对于惯性空间的旋转运动(旋转角速度)，为惯性系统感知载体自身的精确位置和方向等具有关键性作用。光学陀螺是基于萨格奈克效应的角速度传感器，萨格奈克效应是：在光学环路线圈旋转时，顺时针与逆时针经过同一环路传输的两束光之间产生相位差。干涉型光纤陀螺(IFOG)就是顺时针与逆时针通过光纤传感线圈传输光之间的干涉将相位差信号转换为输出光强度信号，经光电检测器转换为电信号，由陀螺电路处理输出载体的旋转角速度。因此光纤陀螺中没有运动部件，且因为光纤的损耗极低，长度可达到公里级，精度可达到0.001°/h级。而且光纤陀螺具有抗冲击、长寿命、精度高、价格、尺寸、重量方面有明显优点，适合规模化生产的优势，在工业与军事应用中拓展了许多较新的用途，成为目前发展最为迅速的惯性器件之一。

干涉型光纤陀螺的主要技术性能指标有标度因数及其稳定性与对称性，角度随机游走和零偏稳定性。影响标度因数稳定性与对称性的主要原因有光源平均中心波长和传感线圈长度的稳定性，以及Y形分支波导调制器和信号处理电路的线性度。角度随机游走是信噪比相关的参量，是陀螺最小可检测灵敏度的度量，与均衡设计和噪声抑制及滤波技术有关。陀螺的零偏稳定度可以认为是陀螺的可信检测灵敏度，陀螺的零偏误差主要来自保偏光纤传感线圈，包括偏振串扰、法拉第效应、时变环境温度与应力(振动与声波)引起的非互易相移。干涉型光纤陀螺由传感光学表头和调制解调电路两部分组成，传统的传感光学表头又有集成Y形分支波导调制器和光纤传感线圈组成。光纤陀螺的精度主要是由传感光学表头决定的，也是陀螺的主要误差源。

干涉型光纤陀螺的精度主要由灵敏度与零偏误差中的最大值确定的。灵敏度是陀螺系统中的最小可检测信号大小，而最小检测信号是萨格奈克信号与零偏误差的和。另一方面，光电检测器的灵敏度对应的最小可检测相位差在微弧度量级，萨格奈克相移与传感光纤长度、角速度成正比，所以，增加传感线圈光纤长度是提高干涉型光纤陀螺灵敏度和精度直接有效的方法。但是，传感线圈光纤长度的增加，不仅增加了成本、体积、重量、绕线工艺难度，还会增加偏振串扰、Shuppe效应和震动等非互易误差，这反过来又制约了干涉型光纤陀螺灵敏度和精度的提高。目前，0.001°/h精度级陀螺的传感光纤长度在千米级，0.0001°/h精度级的干涉型光纤陀螺的传感光纤长度将达到万米级，这将对绕线工艺和温度等环境条件的要求达到接近难以实现的程度。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，用较短的传感线圈光纤长度，采用萨格奈克相移倍增结构来倍增转动产生的萨格奈克相移信号，增加线圈的有效长度而不增加实际光纤长度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，包括Y形分支波导调制器和光纤传感线圈，还包括相连接的2×2功能光开关和开关控制器，所述2×2功能光开关的输入端和Y形分支波导调制器的输出端连接，所述2×2功能光开关的输出端和光纤传感线圈连接，光信号从Y形分支波导调制器传入，通过开关控制器对2×2功能光开关的切换控制，在光纤传感线圈内多次环行实现萨格奈克相移倍增。

所述2×2功能光开关包括2个光开关输入尾纤和2个光开关输出尾纤，所述2个光开关输入尾纤分别与Y形分支波导调制器的2个波导输出尾纤连接，所述光开关输出尾纤与光纤传感线圈连接。

所述2×2功能光开关的连接状态包括直通和环路两种状态，在直通状态下，2×2功能光开关的功能是将Y形分支波导调制器输出的光信号直接传输进入光纤传感线圈；在环路状态下，2×2功能光开关的功能是连通光纤传感线圈的两端形成环路。

所述2×2功能光开关的尾纤、Y形分支波导调制器的尾纤和光纤传感线圈的光纤类型均相同。

该萨格奈克相移倍增结构实现萨格奈克相移N倍倍增的方法是：

2×2功能光开关以Nτ为周期进行直通状态和环路状态的切换，所述直通状态的持续时间为τ，所述环路状态的持续时间为(N-1)τ，其中，τ为光纤传感线圈的光传输时间。

利用上述干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构实现萨格奈克相移N倍倍增，可以增加干涉型光纤陀螺的光纤传感器的光纤长度，输入光传输路径具体为：

1)光源从Y波导输入尾纤输入，经Y形分支波导调制器后分为顺时针CW路和逆时针CCW路分别从2个波导输出尾纤输出；

2)开关控制器令2×2功能光开关处于直通状态，顺时针CW路的光经2×2功能光开关从光纤传感线圈的第一输入端进入光纤传感线圈，逆时针CCW路的光经2×2功能光开关从光纤传感线圈的第二输入端进入光纤传感线圈；

3)顺时针CW路的光在光纤传感线圈内传输至光纤传感线圈的第二输入端，逆时针CCW路的光在光纤传感线圈内传输至光纤传感线圈的第一输入端；

4)开关控制器切换令2×2功能光开关转换为环路状态，顺时针CW路的光在光纤传感线圈和2×2功能光开关组成的闭合回路内环行N-1次至第二输入端，逆时针CCW路的光在光纤传感线圈和2×2功能光开关组成的闭合回路内环行N-1次至第一输入端；

5)开关控制器再次切换令2×2功能光开关返回直通状态，顺时针CW路的光和逆时针CCW路的光分别依次经2×2功能光开关和Y形分支波导调制器输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过设置萨格奈克相移倍增结构，增加了光纤传感线圈的有效长度与萨格纳克相移，增加了陀螺的灵敏度。

(2)与原有的干涉型光纤陀螺相比，只需增加一个2×2功能光开关及其控制器，二者均为现有的易于实现的技术，易于批量生产。

(3)虽然增加了光纤传感线圈的有效长度，但是光纤传感线圈的实际长度增加量极小，不会增加偏振串扰、Shuppe效应和震动等非互易误差，增加了陀螺的精度。

(4)由于实际的光纤传感线圈长度小，因而减小了实际生产产品的体积和重量，降低了生产成本和绕线工艺的难度。

(5)由于减小了实际生产产品的体积，进一步降低了瞬态相关的零偏误差。

(6)本发明能在维持成本、体积、重量、绕线工艺难度和非互易误差体积在千米级的基础上，使光纤传感线圈的有效长度增加到数万米级，使干涉型光纤陀螺的灵敏度达到0.00001°/h级，生产效益高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中2×2功能光开关的直通与环路状态时序图；

其中，1为波导输入尾纤，2为Y形分支波导调制器，3为第一波导输出尾纤，4为第二波导输出尾纤，5为第一光开关输入尾纤，6为第二光开关输入尾纤，7为2×2功能光开关，8为开关控制器，9为第一光开关输出尾纤，10为第二光开关输出尾纤，11为光纤传感线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，包括Y形分支波导调制器2、光纤传感线圈11、2×2功能光开关7和开关控制器8，2×2功能光开关7的输入端和Y形分支波导调制器2的输出端连接，2×2功能光开关7的输出端和光纤传感线圈11连接，开关控制器8分别连接Y形分支波导调制器2和2×2功能光开关7。

Y形分支波导调制器2包括波导输入尾纤1、第一波导输出尾纤3和第二波导输出尾纤4，波导输入尾纤1与光源连接，第一波导输出尾纤3和第二波导输出尾纤4分别与2×2功能光开关7连接。

2×2功能光开关7包括2个光开关输入尾纤5、6和2个光开关输出尾纤9、10，第一光开关输入尾纤5、第二光开关输入尾纤6分别与第一波导输出尾纤3和第二波导输出尾纤4连接，第一光开关输出尾纤9、第二光开关输出尾纤10分别与光纤传感线圈连接。第一波导输出尾纤

第一波导输出尾纤3、第一光开关输入尾纤5、2×2功能光开关7、第一光开关输出尾纤9、光纤传感线圈11依次连接，构成CW光输入；第二波导输出尾纤4、第二光开关输入尾纤6、2×2功能光开关、第二光开关输出尾纤10、光纤传感线圈的另一端依次连接，构成CCW光输入。

本发明中，光纤传感线圈的光纤可以是保偏单模光纤或非保偏单模光纤，相应地，2×2功能光开关和Y形分支波导调制器的尾纤也是保偏单模光纤或非保偏单模光纤，Y形分支波导调制器、2×2功能光开关和光纤传感线圈之间的尾纤连接也是保偏与非保偏连接。而且本发明中的2×2功能光开关可以是任何具有直通和环路功能的光开关元件或光开关模块，比如：可以用单一2×2光开关来实现2×2功能光开关，也可以用两个1×2光开关来实现2×2功能光开关，或其它形式的光开关来实现2×2功能光开关。

利用上述结构实现萨格奈克相移倍增的方法具体为：设置2×2功能光开关7的开关控制器8的周期等于光纤传感传输时间的N倍，2×2功能光开关7处于直通状态时间等于光纤传感线圈的单次传输时间，2×2功能光开关7处于环路状态时间等于单次传输时间的N-1倍，这样由Y形分支波导调制器2的尾纤1返回输出光波上的萨格奈克信号就是N倍增的。

实现萨格奈克相移N倍倍增具体过程包括：

1)光源从波导输入尾纤1输入，经Y形分支波导调制器2后分为顺时针CW路和逆时针CCW路分别从2个波导输出尾纤3、4输出；

2)开关控制器8令2×2功能光开关7处于直通状态，顺时针CW路的光经2×2功能光开关7从光纤传感器的第一输入端进入光纤传感线圈11，逆时针CCW路的光经2×2功能光开关7从光纤传感器的第二输入端进入光纤传感线圈11；

3)顺时针CW路光在光纤传感线圈11内传输至光纤传感线圈的第二输入端，逆时针CCW路的光在光纤传感线圈11内传输至光纤传感线圈的第一输入端；

4)开关控制器8切换令2×2功能光开关7转换为环路状态，顺时针CW路的光在光纤传感线圈和2×2功能光开关7组成的闭合回路内环行N-1次至第二输入端，逆时针CCW路的光在光纤传感线圈和2×2功能光开关7组成的闭合回路内环行N-1次至第一输入端；

5)开关控制器8再次切换令2×2功能光开关7转换为直通状态，顺时针CW路的光和逆时针CCW路的光分别依次经2×2功能光开关7和Y形分支波导调制器2输出。

对上述步骤结合附图来解释说明，如图1所示，光源从Y形分支波导调制器2的输入尾纤1端输入，经Y形分支波导调制器2后分为顺时针CW和逆时针CCW两路输出，对Y形分支波导调制器上分支CW光，2×2功能光开关处于直通状态(如图2所示)，经3→5→7→9→11→进入光纤传感线圈，在单次光纤传感线圈传输时间后，2×2功能光开关转换为环路状态(如图2所示)，→10→7→9→11→10…(循环N-1次)→7→9→11→10，2×2功能光开关返回直通状态(如图2所示)，10→7→6→4→2→1，形成CW输出；同样地，对Y形分支波导调制器下分支CCW光，2×2功能光开关处于直通状态(如图2所示)，经4→6→7→10→11→进入光纤传感线圈，在单次光纤传感线圈传输时间后，2×2功能光开关转换为环路状态(如图2所示)，→9→7→10→11→9…(循环N-1次)→7→10→11→9，2×2功能光开关返回直通状态(如图2所示)，9→7→5→3→2→1，逆时针输出。顺/逆时针输出光都N次通过光纤传感线圈传输，所以输出光上萨格奈克信号倍增了N倍。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制此发明的保护范围。凡是根据本发明想法：在Y分支波导调制器2与光纤传感线圈11之间插入2×2功能光开关7使CW与CCW传感光在光纤传感线圈11中N-1次环行实现萨格奈克相移增加N倍的等效变换或是修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，包括Y形分支波导调制器和光纤传感线圈，其特征在于，还包括相连接的2×2功能光开关和开关控制器，所述2×2功能光开关的输入端和Y形分支波导调制器的输出端连接，所述2×2功能光开关的输出端和光纤传感线圈连接，光信号从Y形分支波导调制器传入，通过开关控制器对2×2功能光开关的切换控制，在光纤传感线圈内多次环行实现萨格奈克相移倍增。

2.根据权利要求1所述的干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，其特征在于，所述2×2功能光开关包括2个光开关输入尾纤和2个光开关输出尾纤，所述2个光开关输入尾纤分别与Y形分支波导调制器的2个波导输出尾纤连接，所述光开关输出尾纤与光纤传感线圈连接。

3.根据权利要求1所述的干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，其特征在于，所述2×2功能光开关的连接状态包括直通和环路两种状态，在直通状态下，2×2功能光开关的功能是将Y形分支波导调制器输出的光信号直接传输进入光纤传感线圈；在环路状态下，2×2功能光开关的功能是连通光纤传感线圈的两端形成环路。

4.根据权利要求1所述的干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，其特征在于，所述2×2功能光开关的尾纤、Y形分支波导调制器的尾纤和光纤传感线圈的光纤类型均相同。

5.根据权利要求3所述的干涉型光纤陀螺的萨格奈克相移倍增结构，其特征在于，该萨格奈克相移倍增结构实现萨格奈克相移N倍倍增的方法是：

2×2功能光开关以Nτ为周期进行直通状态和环路状态的切换，所述直通状态的持续时间为τ，所述环路状态的持续时间为(N-1)τ，其中，τ为光纤传感线圈的光传输时间。